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2021年度钢桥行业进展,钢桥行业年度综述

 转自:钢结构设计-公众号


来源:西南交大桥梁

引言

在去年和前年撰写前一年度钢桥部分进展的基础上,本文回顾总结土耳其1915恰纳卡莱大桥、合江长江公路大桥、赤壁长江公路大桥、三明沙溪大桥、鳊鱼洲长江大桥、藏木雅鲁藏布江大桥、玉磨铁路元江大桥、引江济淮淠河大桥、埃及埃尔费尔丹铁路新桥、克罗地亚佩列沙茨大桥、南沙港洪奇沥大桥、中俄同江黑龙江铁路大桥和武汉汉江湾大桥等2021年国内外大型、特色钢桥的建设成就与技术进步,大线能量焊接钢、耐候钢和高性能钢、高韧性桥梁耐候钢焊接材料和异形钢板等钢桥新型与特殊材料与构件研究与应用,焊后退火正交异性钢桥面、钢桥面焊缝疲劳开裂的无损检测、既有钢桥面的SFRC粘合修复补强等高性能钢桥面研究与应用,钢桥的全寿命周期安全使用、大跨钢桥的多荷载作用效应、大跨钢桥拉索的多荷载作用疲劳和大跨钢桥的极端荷载作用效应等钢桥的安全耐久理念与方法研究等方面的新进展。挂一漏万,欢迎同行指正。作者感谢郑皆连、张雷、王应良、肖海珠、文望青、瞿国钊、戴晓春、李铭、裴铭海、胥润东、吴东升、孟续东、罗天、张锐、李剑鸾、殷亮等专家同行对本文两次征求意见稿提出宝贵的修改与补充意见和提供相关资料等帮助。


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大型与特色钢桥的建设成就与技术进步


1.1 世界最大跨度桥梁:土耳其1915恰纳卡莱大桥

土耳其在马尔马拉海和爱琴海之间的恰纳卡莱海峡(达达尼尔海峡)建造第四座连接亚欧大陆的1915恰纳卡莱大桥(1915 Çanakkale Köprüsü,达达尼尔海峡大桥(Çanakkale Boğaz Köprüsü))[1][2],以纪念土耳其奥斯曼帝国在1915年的重大事件(1915年3月18日,奥斯曼帝国军队在达达尼尔海峡击退英法联军的入侵,即第一次世界大战中著名的“达达尼尔海峡战役”(也称“加里波利战役”(the Battle of Gallipoli)))。1915恰纳卡莱大桥为双塔三跨悬索桥,双向六车道,主跨2023m,欧洲岸格里玻鲁侧和亚洲岸拉普塞基侧边跨均为770m,总长3563m;大桥主梁采用分离式钢箱梁,两箱体中部梁高3.5m,横向净间距9m,纵向每隔24m设置一道宽3m、高3.5m的横梁,两侧箱外各设置3m维修道,梁体总宽45.06m;全桥箱梁分为87段吊装节段;钢桥塔总高318m;主缆采用预制平行钢丝束(PPWS,主跨288束,边跨296束);采用扩大基础的重力式锚碇,桥塔基础为混凝土沉井。

大桥业主方为土耳其交通部,项目施工采纳PPP模式,建设-运营-移交模式的项目运营时间为16至18年;中标联合体DLSY包括Daelim和SK两家韩国公司、Limak和Yapi Merkezi两家土耳其公司,每家各占25%,共投资25亿欧元(28亿美元);主体工程由丹麦科威咨询公司(COWI A/S)设计,韩国PEC公司分包主缆和引桥设计,Arup公司和Aas-Jakobsen公司独立复核;西南交通大学进行风洞试验研究,四川路桥公司分包钢箱梁吊装等工程建设。桥梁主体工程和桥面铺装已在2021年完成(2022年3月通车),如图1,成为世界最大跨度的桥梁,刷新了保持24年的日本明石海峡大桥(跨度1991m,1998年建成)的桥梁跨度世界纪录,也是工程历史上第一座跨度超过2000m的重要标志性桥梁。

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图1 土耳其1915恰纳卡莱大桥

1.2 世界第二跨度飞燕式拱桥:合江长江公路大桥

四川合江长江公路大桥(合江三桥)主桥长668m,采用飞燕式钢管混凝土桁架系杆拱桥(80.5+507+80.5)m[3][4][5],双向六车道与双侧2.5m人行道,设计速度60km/h,如图2所示。主拱跨度507m,矢跨比为1/4,拱轴系数为1.5;两侧的两片钢管混凝土桁架宽4m,上下游桁架中心距25.3m;每片桁架径向高从拱脚14m变化至拱顶7m;上下弦杆为直径1300mm、厚度26、30、32mm的Q345C钢管,内填C70混凝土,采用“三级接力,分级泵送”方法灌注;弦杆横联和腹杆采用直径760mm和660mm钢管;每侧主拱桁架分为40个预制段,采用缆索吊装、斜拉扣挂安装;桥面以下的主拱和边拱及其横梁均外包C50混凝土成箱型截面;吊杆和立柱间距13m;吊杆和系杆均采用环氧喷涂φ15.2极限强度1960MPa钢绞线索,全桥系杆索24根,每根由55束钢绞线组成,分3次张拉;采用工形截面纵横梁与带钢底板的钢筋混凝土板的组合桥面结构,其中吊杆处设置主纵梁和主横梁,主纵梁间设置两道次纵梁,主横梁间设置3道次横梁,钢底板厚8mm;车行道铺设5cm的改性沥青混凝土,人行道铺设1cm的聚氨酯橡胶板;一个主墩采用桩基、承台、墩身与拱座组合的重力式结构,另一主墩采用扩大基础、墩身与拱座组合的重力式结构。

合江长江公路大桥2021年6月建成通车,成为世界第二跨度的飞燕式拱桥,也是世界第8大跨度拱桥,居主跨560m的广西南平三桥、552m的重庆朝天门长江大桥、550m的上海卢浦大桥、530m的四川合江波司登大桥、519m的湖北秭归长江大桥、518.2m的美国新河谷大桥(New River Gorge Bridge)和510.5m美国贝永大桥(Bayonne Bridge)之后,是我国成为世界公路拱桥的大国与强国的又一标志。


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图2 合江长江公路大桥

1.3 世界最大跨度组合梁斜拉桥:赤壁长江公路大桥

国道G351台州至小金公路跨越长江的湖北赤壁长江公路大桥为双塔双索面组合梁斜拉桥,桥跨布置为(90+240+720+240+90)m,主跨720m,南、北桥塔分别高223m和217m,2021年9月建成通车[6][7][8],如图3所示;桥面全宽36.5m,采用双侧箱形梁、钢横梁、小型钢纵梁和混凝土桥面板组成的组合梁结构;标准段钢梁高3.18m,下翼缘采用变宽变厚形式,宽2.45~3.20m,厚32~70mm;桥面板厚26cm;索塔锚固采用特殊钢锚梁结构;是世界最大跨度的全组合梁斜拉桥。

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图3 赤壁长江公路大桥及其组合梁截面

1.4 世界第二跨度钢桁架与混凝土桥面板组合连续刚构桥:三明沙溪大桥

福建省莆炎高速公路三明段沙溪大桥主桥布置为(100+176+176+100)m,双幅全宽33.5m,最高桥墩117m,双向六车道,设计时速100公里;桥梁跨越205国道、沙溪河、鹰厦铁路和月亮湾景区;主桥采用变高钢桁架与混凝土桥面板组合的连续刚构体系,钢桁梁采用全焊接、免涂装耐候钢 Q500/420/345qDNH(耐候指数≥6.0),工厂化预制桥面板采用 C50混凝土,现场湿接缝主要采用C50自密实微膨胀混凝土,墩顶负弯矩区采用超高性能混凝土(UHPC);墩顶前后两节间下平联设置混凝土板(预制底模和现浇成型);全桥均未布置预应力钢筋(包括墩顶);施工采用一组缆索吊机(4×35t)吊装84个钢桁节段(平均1.5个节段/天)和预制桥面板;桥梁主体2021年底建成[9],如图4所示,是世界第二跨度的钢桁组合连续刚构桥,也是世界最大跨度的该类结构公路桥。

沙溪大桥在结构体系、材料、制造、施工和后期管养等方面采用创新技术与科学理念,有望克服和避免常规预应力混凝土连续刚构桥结构自重大、预应力体系相对复杂、施工周期较长、易出现后期跨中下挠与腹板开裂等病害问题,这种钢桁组合连续刚构桥具有良好的应用前景,甚至可以应用到更大跨度桥梁。

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图4 三明沙溪大桥

1.5 世界最大跨度交叉拉索钢箱混合梁铁路斜拉桥:鳊鱼洲长江大桥

京港高铁安庆至九江段鳊鱼洲长江铁路大桥北侧位于湖北黄梅县、南侧位于九江市,为4线铁路桥(两线350km/h高铁和预留两线200km/h客货共线),全长1320m、主桥(南汊航道桥)桥跨布置为(50+50+224+672+174+50+50+50)m,主跨672m,采用双塔双索面、主跨跨中交叉布置拉索、钢箱与混凝土箱的混合梁(中跨与辅跨主体为扁平流线型钢箱梁,边跨为混凝土箱梁)等构造形式的铁路斜拉桥[10][11];钢箱梁为单箱三室截面,顶宽32.1m、中心梁高4.79m,顶、底板采用正交异性板,顶板采用316L不锈钢和Q370qE复合钢板,其它部位采用Q370qE钢;标准段顶、底板厚14mm(桥塔和混合段附近逐渐加厚至22mm),横隔板间距3.0m,混凝土道砟槽板用焊钉连接顶板;钢轨下方设置8根小纵梁,其节段连接采用栓焊组合方式。混凝土梁宽32.2m、梁高4.94m(顶板与道砟槽板合并),标准段顶、底板厚40cm(混合段附近逐渐加厚至70cm),腹板厚280cm,标号为C55;箱梁采用半飘浮体系,塔梁设置纵向阻尼装置、横向设抗风支座,边墩中心设置横向限位装置;伸缩缝和轨道温度调节器采用位移量正负800mm的下承式结构;如图5所示,是世界第一座交叉拉索钢箱混合梁铁路斜拉桥、世界第二座采用交叉拉索的大跨斜拉桥,也是世界运营速度最高的铁路大跨斜拉桥。

多线路、荷载重、速度高的铁路桥梁要求结构具有更高的刚度,通常采用钢桁梁。鳊鱼洲长江铁路大桥南汊航道通行船只多,为减少对航道影响,采用刚度相对较小的钢箱梁大节段吊装架设;为弥补其刚度相对较小的不足,在主跨跨中72m范围内交叉布置拉索(类似于英国昆斯费里通道(Queensferry Crossing,福斯三桥,单索面、两主跨650 m组合梁公路斜拉桥)在两主跨跨中交叉布置拉索),实现了不过量增加主梁和拉索,桥梁的挠跨比达到1/687,列车横向与竖向振动加速度为0.78与1.26m/s2,脱轨系数0.29,轮重减载率0.54,斯佩林指标2.78,取得良好效果。

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图5 鳊鱼洲长江大桥及其箱梁吊装

1.6 世界最大跨度高原铁路拱桥:藏木雅鲁藏布江大桥

藏木雅鲁藏布江大桥是川藏铁路拉萨至林芝段最大的双线铁路桥梁,如图6,位于加查县境内雅鲁藏布江的桑加峡谷、藏木水电站上游库区,水深66m,桥址海拔3350m,全长525.1m,两岸对接隧道;主桥为跨度430m的提篮式钢管混凝土桁架拱桥,矢高112m,矢跨比1:3.8,拱轴系数2.1;主拱桁架内倾角4.59°,拱脚和拱顶桁宽为25m和7.08m;拱脚和拱顶主拱径向桁高15m和8.8m;主拱桁架弦杆钢管直径为1600mm(拱脚局部为1800mm),壁厚为24~52mm;钢管桁架弦杆采用Q420qENH,腹杆、横撑和横梁采用Q345qENH免涂装耐候钢(全桥耐候钢用量1.28万t);弦杆钢管内填C60自密实无收缩混凝土[12]。

藏木雅鲁藏布江大桥施工条件极其严酷,建设周期5年多,2021年建成通车;是我国第一座高原大型铁路免涂装耐候钢桥梁,为今后建设耐候钢桥梁积累许多重要经验;成为世界最大跨度的高原铁路桥梁,也是世界第5跨度的铁路拱桥。包括2020年建成主跨490m云南大理至瑞丽铁路怒江大桥、2013年建成450m南广铁路广东省肇庆西江大桥、2016年建成445m沪昆高铁贵州省晴隆北盘江大桥、2019年建成436m成都至贵阳高铁跨越黔西县的鸭池河大桥在内,我国囊括世界铁路拱桥跨度的前5位,是我国成为世界铁路拱桥大国与强国的重要标志。

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图6 藏木雅鲁藏布江大桥

1.7 世界最大跨度铁路连续钢梁桥:玉磨铁路元江大桥

中国昆明与老挝万象铁路(设计时速160km客货共线)玉溪至磨憨段元江大桥在元江哈尼族彝族傣族自治县境内,处于高烈度地震区域,主桥桥跨布置为(108.0+151.5+249.0+151.5+108.0)m,采用上承式变高连续钢桁梁结构,钢梁长770.0m[13];主桁采用N形和K形腹杆,边支点和中跨跨中的桁高16m,中支点36m;桁宽 16m,节间长度 13.5m (中支点附近四个节间15m);正交异性桥面在主桁上弦,除节点横梁外,每个节间内设置 4道中间横梁,间距为2.7m(3m),桥面横向设置19条U肋和4条板肋;主桁下弦杆节间设置交叉式平联;主桁采用Q420qE和Q370qE钢材,桥面板采用Q370qE,联结系均采用Q345qD,维修通道、检修爬梯和防护栏杆采用Q345C和Q235B,用钢量2.02万t;4个中间桥墩均采用多重钢构件连接的钢与混凝土组合结构,包含两个分离式墩柱、交叉式钢杆件横向联结,其中3号桥墩高154m;1号和4号墩墩顶横向宽22m、纵向宽7.6m,设4m实体段,墩颈壁厚0.6m,2号和3号墩顶横向宽24m、纵向宽9m,设4m实体段,墩颈壁厚0.8m,桥墩纵横向均放坡,外坡55:1,内坡80:1;主墩采用直径2.5m的桩基础,最长桩长71m;桥梁通过布置减振耗能装置实现地震力在墩台间的合理传递,提高高墩桥梁的抗震和减振性能。元江大桥于2021年12月通车,如图7,是世界最高桥墩铁路桥,也是世界最大跨度的铁路连续钢梁桥。

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图7 玉磨铁路元江大桥

1.8 世界最大跨度通航渡槽桥:引江济淮淠河大桥

安徽省的引江济淮工程沟通长江、淮河两大水系;其中淠河通航渡槽桥设计流量为150m3/s,水深4m(校核水深5.05m),过水断面净宽32m,为合肥市区重要的供水渠道;VI级航道,通行100t船舶;渡槽总长 350 m,其中主桥跨越引江济淮II级航道,为(68+110+68)m变高连续钢桁梁,全长246 m,采用分离式双幅(槽)桥梁;单幅桥水重约1.98万t,双槽水荷载1616kN/m(近135倍的公路I级车道荷载);单幅顶部全宽24m、底宽22m,桁架内侧渡槽过水断面净宽16m,侧壁高7m,采用复合不锈钢波形腹板,型号为2000,迎水面均采用4mm厚316L不锈钢;全桥钢材为Q345qD、Q420qD和316L复合不锈钢,总用钢量2.1万t。渡槽桥2021年5月建成[14][15],如图8,跨度略大于德国马格德堡渡槽桥(Magdeburg Water Bridge,(57.1+106.2+57.1)m,全长220.4m,净宽34m,水深4.25m,1997年建成),成为世界最大跨度与最大规模的通航渡槽桥。

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图8 淠河通航渡槽桥及其波形钢腹板槽体

1.9 世界最大跨度开启桥:埃及埃尔费尔丹铁路新桥

跨越埃及埃尔费尔丹(El Ferdan)苏伊士运河东航道的铁路新桥主跨为(150+340+150)m双线铁路的双翼平转开启桥,设计列车活载为两线UIC 71,设计速度80km/h;采用变高钢桁梁和正交异性钢桥面,支点梁高63m;用钢量1.47万t;两侧桁梁转铰直径18m,重400t,单铰承重9000t;两侧桁梁绕转铰平转时,岸侧设置圆弧形滑道支撑桁梁端部(平转过程、航道过船过程均形成两点支承悬臂桁梁);桥梁由我国企业承包建设,钢构件在国内制造后运送至桥位架设;桥梁主体在2021年底建成[16][17][18],如图9,跨度与埃尔费尔丹苏伊士运河西航道铁路桥(单线铁路,2001年建成,现由我国企业承包改造成双线和加强)相同,并列为世界最大跨度的开启桥。

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图9 埃及埃尔费尔丹铁路新桥

1.10 世界最长联矮塔斜拉桥:克罗地亚佩列沙茨大桥

克罗地亚的佩列沙茨桥(Pelješac Bridge)[19]连接该国本土和佩列沙茨半岛,位于高地震烈度(1/475地震基本加速度为0.34g)和强风(1/475基本风速为33.7m/s)地区;处于波黑涅姆海港的唯一航道,桥下通航净空要求为200m宽、55m高;桥跨布置为(84.0+108.0+108.0+189.5+5×285.0+189.5+108.0+108.0+84.0)m,共2404.0m,部分处在平面弯道上;中间部分为6塔7跨单索面流线型钢箱梁矮塔斜拉桥,双向两车道和两应急车道;除塔墩梁结合段采用预应力混凝土外,其余均采用钢箱梁,用钢量3.47万t。单箱三室正交异性桥面钢箱梁高4.5m(高跨比为1/63.3),全宽22.5m,底板宽8.1m,两侧下斜腹板倾角24°;采用空腹式横隔板,标准间距为4m;有索跨的中间箱室宽3.1m,无索跨的中间箱室宽8m。有索跨采用悬臂拼装,节段长度12m,无索跨陆上部分在支架上拖拉施工,节段长度为12m,海上部分采用大节段吊装,节段长度为36、52和56m。桥梁主体2021年底建成,如图10,是世界最长联(最大连续长度)的矮塔斜拉桥。该桥是我国企业通过现汇竞标获得的第一个欧盟基金项目,是克罗地亚规模最大的交通基础设施建设项目,也是欧洲近年来较大规模的桥梁工程。全桥钢箱梁节段在我国国内工厂加工制造,长途海运至桥位架设。

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图10 佩列沙茨大桥及其钢箱梁截面与节段制造

我国企业在制造中执行欧盟标准《钢结构和铝结构的施工:第2篇 部分钢结构技术要求(EN1090-2:2018)》的EXC4最高等级要求,其中包括原材料可追溯性、制造允许公差、焊接过程准备、焊缝验收标准、外观等级、程序性文件等[20]。EXC4的钢结构外观要求包含:不允许随意点焊马板、吊耳等附件或者卡痕出现,以保证母材质量(如必要有,则附件移除后必须进行打磨、无损检测、修补、再次打磨、再次无损检测等);在钢箱梁涂覆前,焊缝外观、零部件等钢材表面须满足P3的表面处理等级等相关更高要求。钢箱梁制造中梁体翻身传统采用的虎头卡具,容易造成板单元面板母材表面的损伤、留有卡痕等,后期修复需要付出较多的人力、财力、物力和时间。承建单位采用无码组装、多拼板单元、无卡痕翻身、合理设置脚手架等工艺,减少对母材的损伤;采用合理的板单元焊接技术、临时附件的移除与修补、表面的打磨与抛光等技术措施,提高钢箱梁的整体制造质量。这些技术措施为我国提高钢梁制造质量与水平积累了宝贵经验。

1.11 世界最大跨度铁路连跨钢拱桥:南沙港洪奇沥大桥

广东南沙港铁路洪奇沥大桥跨越中山市洪奇沥水道,主桥采用(138+360+360+138)m钢桁梁柔性拱的两主跨连跨拱桥[21],如图11所示。桥梁采用三角形桁梁,节间为13.5m和14.0m,标准桁高16.0m,支座处加大至32.0m;拱肋轴线采用二次抛物线,桁梁上弦以上矢高65.0m;桁梁弦杆、拱肋均为焊接箱形截面;桁梁杆件采用整体节点栓接,拱肋采用焊接;采用Q370qD钢材;两主拱共有84组平行钢丝索吊杆,吊杆与上弦和拱肋均采用钢锚箱连接;桁梁下弦节点处设置鱼腹式变高横梁(高2.15m至2.5m),横梁间通过4根纵梁相连,纵梁横向间距2m;纵梁上面采用自重较轻的混凝土轨枕板无砟桥面;采用水平熔断型支座、纵向粘滞阻尼器、横向E型钢阻尼器等组合抗震措施。该桥采用先梁后拱的施工方法,中间204m主拱拱肋采用大节段整体提升方案安装。桥梁2021年12月建成通车,成为世界最大跨度的铁路连跨钢拱桥,同时也是最大跨度的铁路钢桁梁柔性拱桥。

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图11 南沙港铁路洪奇沥特大桥

1.12 世界首座套轨铁路钢桥:中俄同江黑龙江铁路大桥

中俄同江黑龙江铁路大桥位于黑龙江省同江市,跨越黑龙江,全长7194m,引桥长4979m,主桥长2215m,其中中方境内主桥长1886m,俄方境内主桥长329m,设计运营时速100km。中方负责建设1孔144m和16孔108m简支钢桁梁桥,引桥为152孔32m预应力混凝土简支箱梁桥;俄方负责建设1孔132m、1孔108m和1孔60m简支钢桁梁桥。中方负责的144m钢桁梁采用三角再分型桁架,桁高21m,节间长12m,主桁横向中心距8m,横梁间距12m;支承轨道板的两道纵梁连续布置。108m钢桁梁采用三角形桁架,桁高15m,除端部节间长10.5m外,其余节间长11m,主桁横向中心距8m;在下弦各节点处设置横梁;支承轨道板的两道纵梁连续布置。钢桁梁主要受力杆件采用Q370qE钢材,上平纵联、桥门架和横联等杆件采用Q345qE钢材,桥梁采用高强螺栓连接。桥面轨道采用4根钢轨的套轨形式,分别采用轨距为中方的1435mm和俄方的1520mm的单线套轨(双轨距)形式,可通行两国列车,两组轨道中心间距0.8m;桥梁采用新型纵向分段的预应力混凝土无砟轨道板形式,具有自重相对较轻、不易开裂、标准化预制与安装和较好的车-桥动力性能等优点。钢桁梁的下平纵联与桥面系采用新型连接形式:将下平纵联交叉斜杆与纵梁下翼缘连接,纵梁通长不断开,使桥面系与下平纵联形成整体,共同参与桁梁受力与变形;为提高纵梁、横梁与下弦杆在纵向变形的一致性,在每跨首尾第二个下弦节点设置较强劲的双撑杆,分别连接纵梁与第一和第三横梁的交点,由此减小横梁面外变形与应力;无断开的连续纵梁,有利于行车平顺、结构耐久,同时方便检查和维护。桥梁主体结构和铺轨于2021年9月完成[22],如图12所示,成为世界第一座套轨铁路桥梁。

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图12 中俄同江黑龙江铁路大桥

1.13 我国首座使用Q690高强钢桥梁:武汉汉江湾大桥

湖北武汉汉江湾大桥(汉江七桥)采用(132+408+132)m孔跨的中承式钢桁拱桥,桥面宽47m,双向6车道(可拓宽至8车道)[23][24];采用板桁组合结构、顶板与焊接U肋全熔透技术,受力较大的中跨第3至第9节间拱桁下弦杆采用Q690qE高强度桥梁钢(板厚为32mm和50mm);桥梁2021年5月建成通车,如图13,是我国第一座采用Q690级高强钢材的大型桥梁。

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图13 武汉汉江湾大桥

Q690qE高性能桥梁钢屈服强度690MPa,极限强度810MPa,屈强比不大于0.85,延伸率大于0.14,-40℃冲击功Akv大于120J;钢板交货状态为TMCP与回火工艺;钢材含Ni、Cr和Cu等合金元素,成分控制比较稳定,有一定的耐蚀性能;同时添加Ti、Nb和V等微量合金元素,能产生晶粒细化和沉淀强化等作用,改善组织性能,提高强度;钢板有良好的低温韧性和可焊性,32mm和50mm厚钢板碳当量CEV分别为0.57和0.53,裂纹敏感指数Pcm分别为0.23和0.21,焊接的理论预热温度分别为112℃和126℃;采用埋弧焊焊接试板试验表明,试验温度-40℃的焊缝中心和热影响区的冲击功Akv分别为80J和180J;-60℃的焊缝中心和热影响区的冲击功Akv分别大于60J和120J。Q690qE等高性能桥梁钢材具有良好的应用前景。


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钢桥新型与特殊材料与构件研究与应用


2.1 大线能量焊接钢

大线能量焊接传统低合金高强度钢会降低焊接热影响区的韧性,容易产生焊接裂纹等。大线能量焊接钢在焊接中能够采用比一般条件高得多的线能量,同时焊接热影响区韧性不会显著降低、也不易产生焊接裂纹。《大线能量焊接用钢(GB/T38817-2020)》[25]规定,该种钢焊接线能量大于50kJ/cm,屈服强度范围为355MPa~500MPa。大线能量焊接钢主要通过合理的成分设计和氧化物冶金技术两种方法改善低合金高强度钢焊接热影响区的韧性[26]。

不同元素对钢材性能有不同的影响规律,因此,可增加锰和微合金化元素质量分数,提高强度,降低碳质量分数保证焊接性,控制其它不利元素的质量分数以保证综合性能,指导设计出经济、高强、高韧性和焊接性优良的大线能量焊接用钢[27]。此外,氧化物冶金技术在大线能量焊接用钢中应用较为有效:氧化物通过形成细小弥散的微细夹杂,在焊接过程中抑制奥氏体长大和控制组织转变,可以使大线能量焊接用钢粗晶区韧性保持在一个较好的水平。

目前,大线能量焊接用钢主要应用于船舶、海洋工程、建筑、石油储罐和桥梁等基础设施和大型建筑当中;深中通道沉管隧道钢壳项目首次批量使用大线能量焊接桥梁钢,钢板最高强度为420MPa,最大厚度为40mm,最大焊接线能量为270kJ/cm,这标志着我国大线能量焊接桥梁用钢的研究应用又有新突破[28]。

2.2 耐候钢和高性能钢

传统耐候钢通常含有较高的Cu、P、Ni等元素,提高其抗腐蚀性能。研究表明,海洋环境中抗腐蚀的耐候钢,Mo元素形成的MoO2和MoO3可促进γ-FeOOH转化α-FeOOH,提高其抗腐蚀性能[29]。Fu等人[30]通过开展模拟工业大气的加速腐蚀试验,对Q345qDNH的腐蚀性能和锈层产物进行研究,结果表明,该耐候钢在大气环境中有更高的抗腐蚀性能。此外,Xu等人[31]同样研究了在海洋环境中,耐候钢元素对抗腐蚀性能的影响,结果表明Al和Mo元素能提高耐候钢锈层在海洋环境中的稳定性,并提高耐候钢的抗腐蚀性能。Zhou等人[32]针对耐候钢锈层裂纹发展开展研究,结果表明,耐候钢内部锈层比外部锈层具有更高的耐热冲击性能;由于腐蚀深度发展和横向扩展交替发生,其表面锈层由平行于界面的交替带状结构组成。耐候钢抗腐蚀性能研究表明,在经过改良后能够具有更高的抗腐蚀性能,并能适应更多极端环境;此外,腐蚀后的耐候钢还需要具有足够的力学性能和疲劳强度才能更好地用于桥梁建设。Shi等人[33]开展A709 Grade 50CR钢组合梁足尺力学试验和细节疲劳试验,利用均匀腐蚀模型,考虑截面均匀削弱情况下,组合梁桥力学性能和疲劳强度的削减。郭宏超等人[34]对经加速腐蚀后的Q690高强钢进行了高周疲劳试验,结果表明,腐蚀100天质量损失率为7.21%,腐蚀60天后,试件疲劳极限降低了30.15%。张宇和郑凯锋等人[35][36]开展了大规模耐候钢和高性能钢腐蚀后疲劳性能试验,研究了耐候钢Q345CNH和高性能钢HPS 70W在海洋环境中的腐蚀性能和腐蚀后的疲劳性能,结果表明,随腐蚀时间增加,两种钢材均匀腐蚀量和坑蚀深度均有所增加,腐蚀试验环境能用于模拟我国海洋环境(C3),两种钢材均具有良好的抗腐蚀性能;同时,两种钢材腐蚀后疲劳强度有一定程度下降,腐蚀时间越长疲劳强度下降量越大,腐蚀180周期的Q345CNH和HPS 70W疲劳强度分别为下降38.3%和35.7%。

随着近年来我国耐候钢桥数量的逐渐增加,中铁二院在开展耐候钢腐蚀特性和桥梁性能要求的研究基础上,依托我国重点铁路项目进行了典型耐候钢桥设计研究,编撰发布了《铁路无涂装耐候钢桥设计指南(Q/73020712- 6∙22-2021)》[37]和《铁路无涂装耐候钢桥维护技术指南(Q/73020712-6∙23-2021)》[38],两本规范将更有效地推动我国耐候钢桥梁的建设。

2.3 高韧性桥梁耐候钢焊接材料

与其它领域的应用要求一样,用于桥梁的耐候钢材需要有与之匹配的焊接材料,以保证焊缝具有足够的力学性能和疲劳强度。近年来,随着耐候钢在桥梁工程领域应用潜力的不断显现,高韧性耐候钢焊接材料的研发取得一定成果,克服了以往依靠进口、成本高、生产工艺复杂、周期长和供需操作标准存在不匹配等问题[39]。李振华等人[40]研制开发的三类高韧性的桥梁耐候钢焊接材料,包括HTJ-507 CrNiCu焊条、HTW-550GN气体保护焊焊丝、HTM-550GN埋孤焊焊丝与HTF-101GN埋孤焊焊剂等,在保证力学和耐腐蚀性能满足要求的前提下,满足了焊缝对低温冲击韧性的要求;针对3类桥梁耐候钢焊接材料,依据《铁道车辆用耐大气腐蚀钢及不锈钢焊接材料(TB/T2374-2008)》等标准进行工艺评定和周期浸润腐蚀试验,其力学性能、耐大气腐蚀性能、-40℃低温韧性等各项性能均合格,满足Q345qENH和Q370qENH耐候桥梁钢的要求,试验表明,经过100h浸润腐蚀后仍具良好的耐腐蚀性能。

2.4 异形钢板

异形钢板在医学、机械制造、建筑加固工程以及建筑施工辅助设施等领域都有着较为广泛的应用;随着高新技术的发展,异形钢板的切割和打磨工艺也逐渐向智能化发展[41]。我国早期建设的一些桥梁随着近年来交通量的猛增,开始出现一些结构承载能力不足的问题,钢板加固是常用的方法,但是桥梁加固部位往往是不规则的外形,因此,异形钢板在桥梁加固方面的优势开始逐渐显现。胡庆安[42]等研究提出用Π形钢板加固桥梁方法,并利用ANSYS程序进行有限元数值模拟;结果表明在提高主梁刚度和强度方面,在同样用钢量条件下,Π形钢板加固优于粘贴钢板加固,Π型板肋高度的增加可有效提高加固桥梁的刚度和强度,减少下挠;在同样用钢量前提下,增加Π型板肋高度加固主梁比增加其板肋厚度效果更好。


3

高性能钢桥面研究与应用


3.1 焊后退火正交异性钢桥面

钢桥面构造复杂,其顶板、纵肋、横肋等部件间通过大量焊缝连接,焊接残余应力相对较大,同时钢桥面直接承受车辆荷载的动力作用,所产生的疲劳应力幅也相对较大。焊接残余应力和荷载应力叠加作用下,经过一定时间服役后,钢桥面经常出现焊缝疲劳开裂。针对上述问题,国内外学者已开展了大量的研究主要集中在以下两个目标:第一,通过改进局部构造和工艺以改善焊缝受力状态、降低荷载应力幅,其中以薄层UHPC组合桥面[43]、U肋双面焊[44]、焊缝局部加强型厚边U肋[45]、U肋内隔板构造[46]、增加纵肋开口宽度[47]、横肋苹果口孔型改进[48]等方面研究最具代表性;第二,通过减小甚至消除焊接残余应力以提高焊缝疲劳强度,其中包括超声冲击(Ultrasonic Impact, UI)[49]、高压水锤(High-pressure Waterjet Peening, HP)[50]、焊后退火(Post-weld Heat Treatment, PWHT)[51]等方法。其中,焊后退火方法具有工艺成熟、加工设备要求较低等特点,大部分压力容器和管道设备产品生产标准有此工艺要求。该工艺除降低焊接残余应力外,还改善焊接接头及其热影响区的晶格组织和性能,适当降低硬度,提高塑性和韧性,进一步释放焊缝中的有害气体,防止焊缝的氢脆和裂纹的产生,稳定构件几何尺寸等。虽此前未见焊后退火钢桥面应用的相关报道;钢桥面是否能够和有必要进行焊后退火也有不同认知。初步研究表明,其经济性、便捷性、可操作性等方面具有一定的优势。作为探索性研究,郑凯锋等[52]近年来围绕焊后退火钢桥面的疲劳性能开展了初步研究,如图14所示,涵盖残余应力测试、足尺模型对比疲劳实验和影响机制仿真分析等。其中,基于盲孔法和X射线衍射的残余应力测试表明,经焊后退火处理,钢桥面顶板与纵肋焊缝的焊接残余应力下降超过76%;足尺模型对比疲劳实验表明,由于焊后退火减低焊接残余应力,顶板与纵肋焊缝的疲劳强度能够提高23%以上。此外,基于断裂力学的数值仿真表明,残余应力的减小可有效推迟疲劳裂纹萌生、降低裂纹扩展速率,从而提高焊缝疲劳强度。

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图14 焊后退火钢桥面抗疲劳性能研究

基于上述研究成果,配合U肋内隔板构造,焊后退火工艺已应用到合肥市宿松路改造工程的第7联钢箱梁桥中,如图15所示。该桥为4×37m连续梁,桥面宽度25.5m,梁高1.6m,桥面为双向2%坡度,边梁悬臂宽1.5m,5箱单室,单箱底板宽2.5m,箱室间横向间距2.5m,相邻箱室间设置横隔梁;箱梁顶板厚 16mm,底板厚标准段16mm,加厚段26mm,腹板厚14mm;顶板设置热轧厚边U肋,肋中心间距600mm,底板设置板肋,肋中心间距400mm。该桥成为首次应用焊后退火钢桥面的桥梁。

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图15 首次应用焊后退火钢桥面的合肥市宿松路节点改造工程钢箱梁桥

3.2 钢桥面焊缝疲劳开裂的无损检测

正交异性钢桥面具有轻质高性能、适用性好、高度装配化、施工便捷等突出技术优势,在全球范围已有大量应用;同时,钢桥面长期以来存在焊缝疲劳开裂的顽疾,尤其是早期建成的大量钢桥面。相关调研表明[53],国内外2000年前建成的部分钢桥面存在疲劳裂纹多发、早发的趋势。因此,如何发现并有效评估在役钢桥面的疲劳劣化问题已成为现有研究的重点、难点和热点。国内外部分研究人员已提出一系列疲劳裂纹的无损检测方法,主要包括声发射、数字图像识别、自发漏磁检测、红外热成像检测等。王春生等[54]采用声发射技术,对陇海铁路渭河桥、杭州湾大桥等开展疲劳裂纹检测并持续监测扩展过程;鲍跃全等[55]结合数字图像技术与深度学习方法,实现了钢结构表面疲劳裂纹的智能监测;周建庭等[56]提出基于金属自发漏磁信号的疲劳裂纹检测方法,实现了有效的裂纹定位和扩展监测。此外,溝上善昭等[57]采用热成像技术的非接触无损检测尤具特色,图16所示。从裂纹导致的局部温差出发,该方法可基于较简易的红外热成像装备,实现日照条件下焊缝开裂的高效、高精度检测。

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图16 基于红外线热成像的焊缝非接触探伤原理与实施

3.3 既有钢桥面的SFRC粘合修复补强

除上述疲劳评估方法外,如何有效修复补强已开裂的在役钢桥面也成为近期研究的热点问题。野口博之[58]提出了一种基于粘合剂涂层和早强钢纤维混凝土(SFRC)补强层在役钢桥面的工艺措施,如图17所示。相比于传统组合钢桥面中采用密布焊钉的连接方式,该种工艺的特色在于通过高性能粘合剂涂层的应用,有效避免额外焊钉焊接顶板带来的成本消耗和损伤,能够实现在役钢桥面的高效加固。相关模型疲劳实验和数值分析表明,SFRC补强层和粘合剂涂层在交变荷载下损伤程度较小,能够实现既有钢顶板与增设SFRC铺装层的长效可靠连接。同时,该类补强措施能够有效提高钢桥面局部刚度、改善焊缝局部受力状态,有效提高在役钢桥面的疲劳性能。此外,村越润等[59] 对含有预裂纹的SFRC钢桥面开展一系列模型疲劳实验,结果表明:SFRC补强层的增设能够显著提高有效疲劳裂纹临界尺寸,进而有效抑制既有疲劳裂纹扩展;在不采用额外措施条件下,实现对在役已开裂钢桥面的有效修复与补强。

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图17 既有钢桥面的SFRC粘合修复补强方法与试验

舘石和雄等[60]围绕冲击裂纹闭合修复方法(Impact Crack-closure Retrofit,ICR)在钢桥面焊缝贯穿型裂纹修复中的应用已开展了大量的试验和数值模拟工作。相关结果表明,经ICR处理后,焊缝附近残余应变由受拉状态转变为受压状态,如图18所示,即引入残余压应变以实现裂纹闭合。进一步的模型疲劳试验研究表明,ICR处理可有效降低贯穿型裂纹在20 ~ 40 mm长度区间内的扩展速率,进而延缓疲劳裂纹发展,实现对已开裂焊缝的有效补强。

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图18 冲击闭合的裂纹修复


4

钢桥的安全耐久理念与方法研究


4.1 钢桥的全寿命周期安全使用研究

全寿命周期思想萌生于20世纪60年代,首先运用于美国军方军用器材的采办,之后被逐渐推广到了民用领域。鉴于以往对基础设施耐久性认识不足或重视不够而引起许多经济损失,20世纪80年代开始,全寿命周期方法逐渐被运用到了该领域,人们开始研究建设项目的全寿命成本优化问题[61-62]。在桥梁工程领域中,全寿命周期分析的目标在于提供一种全面的成本-效益方法,需要通过经济学方法将成本分配至桥梁设计、运营、检测、养护、维护和改造等各个方面,旨在寻找满足规定效益条件下最优的成本分配方案,保证全寿命周期成本最低[63]。近年来,桥梁全寿命周期分析方面的研究已取得了显著成果[64-68],学者们提出了多种桥梁全寿命周期成本分析框架,包含设计成本、施工成本、检测成本、维护成本、改造成本、失效成本等多个方面;在确定桥梁全寿命周期成本的基础上,又针对不同目标发展了多种桥梁全寿命周期成本的优化设计方法。

在近两年来,针对钢桥的全寿命周期分析有如下典型进展。考虑到传统碳素钢的腐蚀会导致钢桥承载力显著降低,从而增加全寿命周期维护成本,Han等[69-70]提出了使用一种新型抗腐蚀钢A709-50CR替换既有钢桥构件的方案,通过降低生命周期维护成本、降低失效风险双目标优化确定了钢桥全寿命周期中,使用新型钢替换的时间和具体的原构件,显著降低了钢桥的全寿命周期成本。Mashhadi等[71]对比了通过剪力连接件加固既有桥梁和重建桥梁两种方案的全寿命周期成本,指出通过对既有桥梁加固,可以使用更少的成本满足日益增长的交通需求。Liu等[72]基于马尔可夫方法研究了钢桥面板铺装层的全寿命周期成本,发现累积等效单轴载荷与全寿命周期成本密切相关,当累积等效单轴载荷大于1500万次时,环氧沥青混凝土铺装层的全寿命周期成本更低。Sacconi等[73-74]针对桥梁疲劳破坏提出了全寿命周期成本计算框架,通过评估桥梁在不同交通荷载下的疲劳极限状态,进而计算桥梁全寿命周期成本;该研究指出,在桥梁上安装交通荷载监测系统有利于桥梁损伤评估和减少全寿命周期成本。Mortagi和Ghosh[75]建立了考虑气候变化对桥梁退化和地震易损性影响的全寿命周期成本分析方法,并针对典型连续梁钢桥和混凝土桥验证了考虑气候变化的必要性。Lee[76]基于模型试验和实地监测数据研究了高性能涂装对钢桥全寿命周期的影响,发现由热喷底涂层、环氧中间涂层与氟化物树脂面层构成的涂装耐久性最好,且高性能涂装更有利于抵抗腐蚀和紫外线照射,有助于降低钢桥全寿命周期成本。

Cheng和Frangopol[77]在土木工程专业学生和工程师中,就累计前景理论(Cumulative Prospect Theory,CPT)的要素展开调查,提出了适用于基础设施失效的相反风险态度模型,并通过钢桥实例验证了该模型对基础设施全寿命周期管理的意义。Yang[78]基于深度神经网络的结构风险评估模型和深度强化学习,提出了一种可根据构件对结构整体的贡献,制定全寿命周期检查和维护方案的风险自适应全寿命周期管理方法,并使用该方法制定了一钢桥的全寿命周期管理方案。研究表明,该方法能显著减少钢桥的全寿命周期成本,提高了易受疲劳影响的桥梁的全寿命周期管理水平。Kim等[79]基于疲劳裂纹扩展预测,提出了桥梁最优检查和维护方案,并通过一铁路钢桥进行了验证。Han和Frangopol[80]就桥梁网络的维护资源分配问题,提出了基于连接性和维护成本的桥梁网络全寿命周期管理方法,并针对桥梁网络特点考虑了网络中各桥梁的相关性。Li等[81]分析了5种典型桥梁失效形式的经时概率,并在此基础上通过风险-成本优化确定了桥梁的维护方案。Calvert等[82]通过引入多种缺陷指标模拟了桥梁退化过程中各类缺陷的相互作用,为针对不同缺陷的早期干预措施制定提供了依据,有利于桥梁的全寿命周期管理。

通过上述研究可以看出,桥梁全寿命周期问题受到了广泛关注,涉及成本分析,优化理论和决策方法等多个方面。同时,随着社会进步和理论发展,不断有新的元素(如韧性[83],可持续性[84])加入其中。这些研究成果为桥梁和桥梁网络的设计与管理提供了有益参考。

由于大跨钢桥具有跨度大、结构细长等特点,它在运营阶段对车辆、风、浪和冲刷等荷载都较为敏感[85]。研究表明,运营荷载的持续作用可能会引起钢结构桥梁劣化,使得结构截面被削弱、刚度和强度降低、稳定性和抗疲劳性能变差,并会进一步导致结构损坏或桥上行驶车辆安全性和舒适性问题[86]。除运营荷载外,自然环境恶劣地区的大跨钢结构桥梁还可能面临着地震、台风、地质灾害和撞击等极端荷载威胁。

4.2 大跨钢桥的多荷载作用效应研究

近年来,一些学者对运营荷载作用下的大跨钢桥的动力响应问题展开了研究。Zhu等[87]提出了涡激振动(VIV)下大跨度桥梁随机交通流的一般平顺性评价方法,该方法充分考虑了现实交通行为以及风、车辆(交通流)和桥梁之间的复杂相互作用。根据ISO 2631-1标准中基于整体振动总值(OVTV)推荐的标准,对VIV下通过桥梁的不同交通流中车辆的乘坐舒适性进行评估。此外,还研究了交通密度、交通比例和路面不平度对驾驶员乘坐舒适性的影响。Xiong等[88]在考虑实际交通行为和车辆惯性力的基础上,提出了一种新的风-交通流-桥梁(WTB)相互作用模型,通过整合动力学理论、车辆性能和驾驶员反应,开发了旨在真实再现真实交通流的LAI-E交通仿真模型,用于预测横风作用下大跨度桥梁和行驶车辆的动力性能。结果表明使用传统的NaSch交通模型会导致在多风环境下显著高估车辆的横向响应,而LAI-E交通模型可以通过确保车辆加速/减速过程中的平稳速度过渡来克服这一问题。此外,当车辆在紧急状况下加速或减速时,由车辆惯性力引起的附加俯仰力矩会导致车轮垂直接触力显著增加。Xiong等[89]通过改变风-交通流-桥梁(WTB)系统中的关键参数,包括交通密度、交通比例、车辆总重、路面粗糙度和风速,评估VIF对桥梁垂直振动的影响。此外,还进行了统计分析,以显示交通流的随机性如何影响相关的桥梁动态响应。本研究对考虑VIF的风荷载和交通荷载作用下的桥梁竖向振动进行了全面的研究,可为实际设计提供参考。Bao等[90]基于风-车-桥(WVB)相互作用模型,评估了悬浮式单轨车-桥系统在湍流横风作用下的动力性能和乘坐舒适性,提出了一种精确模拟作用在桥梁和移动车辆上的实际空气动力的方法。结果表明,紊流侧风对悬浮式单轨车-桥系统的动力性能有很大影响;当车辆在强湍流横风下通过桥梁时,乘客可能会感到不适。Fang等[91]研究了非平稳风浪对基于风浪桥(WWB)系统的斜拉桥随机响应的影响。为提高计算效率,通过将环境参数与桥梁响应相关联,建立了支持向量回归(SVR)、BP神经网络(BPN)和高斯过程回归(GPR)三种替代模型,并进一步研究了平均风速、有效波高和峰值波周期对桥梁响应的影响。结果表明:静止风场和波浪场的桥梁响应比非静止风场和波浪场的桥梁响应大0.05%-16%;推荐了SVR、BPN和GPR模型分别用于预测塔架、基础和梁的响应,灵敏度分析揭示了非平稳风和波的影响。李岩等[92]建立了可模拟移动车辆匀速、制动和变速行驶激励的车桥耦合振动分析模型,研究了基础冲刷对不同行驶状态车辆激励下桥梁动力行为时域和频域特性的影响规律。结果表明,受冲刷桥墩的局部振动模态频率随冲刷深度增加而明显减小,未受冲刷桥墩的模态频率无明显变化;随冲刷深度由1m增加至4m,多种行驶状态车辆激励下,桥梁墩顶的纵向位移和加速度响应峰值均显著增大;冲刷敏感响应的频谱幅值显著上升,中心频率向低频偏移。陈星宇等[93]以某三塔四跨公轨合建大跨度斜拉桥为背景,采用UM及ANSYS软件建立磁浮列车、桥梁、悬浮控制器模型,分析了温度变化和汽车荷载布置引起的附加变形对大跨度公路-磁浮合建桥及磁浮列车动力性能的影响。结果表明,温度附加变形对桥梁及磁浮列车的动力响应影响较小,汽车偏载作用对桥梁和磁浮车辆的横向动力响应影响较明显,6车道对称布载作用对磁浮列车的加速度和Sperling指标的影响不大,但悬浮间隙波动范围增大了30%,汽车荷载对公轨合建桥梁车桥动力响应的影响较大,需予以重点考虑。

4.3 大跨钢桥拉索的多荷载作用疲劳研究

一些学者对钢结构桥梁在运营荷载下的损伤问题展开了研究。朱劲松等[94]基于车桥耦合模型研究了车辆载重、行车速度、桥面铺装恶化及未来交通量增长对结构运营期内疲劳损伤累积的影响。基于局部梁段有限元模型确定了疲劳细节关注点和应力集中系数,利用P-M及CDM两种评估模型对疲劳荷载模型Ⅲ、AASHTO规范标准疲劳车及河北省疲劳荷载谱三类疲劳车辆荷载作用下的疲劳损伤度及疲劳寿命进行了评估。结果表明,该类钢-混组合梁悬索桥疲劳状态评估最不利梁段为1/8跨处,易发生疲劳破坏的节点为靠近吊点位置的主梁顶板与腹板连接处。疲劳荷载模型Ⅲ与当地疲劳荷载谱作用下的疲劳损伤量比较接近,AASHTO疲劳车作用下的损伤累积量明显低于另外两类。朱金等[95]基于风-浪-车-桥耦合振动数值模拟平台,实现随机车流、风、浪荷载联合作用下的斜拉索应力谱的计算分析。基于线性疲劳累积损伤理论推导了服役期内斜拉索疲劳可靠度及疲劳寿命预测公式,以一座沿海大跨斜拉桥为例,运用二维Copula函数建立了桥址处风浪联合概率模型,计算了拉索在随机车流、风和波浪荷载联合作用下关键拉索的疲劳寿命。结果表明:车辆荷载主要影响拉索的应力响应均值,风荷载主要影响拉索的应力响应的脉动部分,而波浪荷载对拉索的应力响应影响非常小。此外,在随机车辆、风和波浪荷载共同作用下,拉索的日累积疲劳损伤符合威布尔分布,并且岸侧拉索的中间索疲劳寿命最低,为121年。Liu等[96]在风-车-桥系统中考虑了改进的载荷模型,基于高斯混合模式(GMM)和期望最大化算法(EM)建立了四级交通载荷模型,提出了一种考虑流量增长的抽样方法;利用现场监测数据建立了平均风速模型,建立了一种考虑年内风荷载和随机交通荷载的时变腐蚀疲劳模型,并对服役悬索桥吊索的可靠性进行了评估。结果表明,在相对稀疏的交通流中,短吊杆的钢丝容易发生腐蚀疲劳损伤,且每年增长的交通荷载比风荷载对疲劳损伤的影响更为显著。短吊杆钢丝的寿命和可靠性指标受交通荷载平均增长率影响大。Liu等[97]提出了一种风速和方向联合概率密度模型,引入了一个角线性模型来协调风速和风向的边缘分布,基于风-车-桥耦合系统的动态仿真,提出了一种考虑交通流变化以及风速和风向变化的疲劳寿命评估方法。结果表明,改进的角线性分布模型对风速和风向的测量数据得到了合理的拟合结果;虽然斜拉索的响应和疲劳损伤主要取决于其长度和位置,但风荷载方向变化的影响也不容忽视。

4.4大跨钢桥的极端荷载作用效应研究

近几年,国内外大跨度钢桥在极端荷载作用下的灾害事故多有发生,各种灾害事故研究也越来越受到关注。2018年12月7日,阿根廷萨尔塔省贝尔格拉诺(Belgrano)铁路跨科罗拉多河铁路桥垮塌,原因为洪水冲刷,如图19所示。2020年7月26日,美国亚利桑那州凤凰城坦佩市一货运列车行驶至一座105年桥龄的一座9跨钢桁架铁路桥时脱轨并引发大火,当时火车正满载木材和化学品,脱轨的撞击事故导致受撞击钢桥一个整跨出现垮塌,引发10节车厢起火,桥面起火面积高于70%,如图20所示。因此,在必要的情况下,钢结构桥梁设计同样也需要重视偶然荷载、极端荷载的作用等不利因素的影响。

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图19 阿根廷科罗拉多河铁路桥倒塌

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图20 美国坦佩市铁路桥脱轨并引发大火

还有一些学者对极端荷载作用下的大跨钢桥的动力响应和损伤问题展开了研究。王静妤等[98]为研究地震和爆炸2种极端荷载联合作用下桥梁结构的动力响应及损伤规律,以ANSYS/LS-DYNA有限元软件为分析平台,提出了考虑地震、爆炸联合作用的方法,建立了简支梁桥在地震、爆炸联合作用下的有限元模型。选取了El Centro地震波和250kg TNT炸药分别作为地震和爆炸荷载施加于结构,分析了不同桥梁结构构件的损伤和动力响应,总结了地震、爆炸联合作用下结构的损伤和失效类型。结果表明:地震、爆炸联合作用于主梁时,主梁的纵向位移有所增加,可能导致落梁,需设限位装置;地震、爆炸联合作用于桥墩时,桥墩的损伤面积和损伤深度增大,墩底甚至被剪断,失去承载能力;不同方向的地震、爆炸联合作用下,桥墩最大损伤发生的时间和损伤程度不同。李鹏浩等[99]基于列车-轨道-桥梁动力相互作用理论,以流冰荷载作为外激励,建立了高速车辆-轨道-桥梁-冰击动力学分析模型。结果表明,冰排厚度、流冰撞击速度和冰排抗压强度是影响桥梁动力学响应的关键参数,流冰撞击桥墩对车辆-轨道-桥梁系统动力学响应影响显著,在冰击荷载作用下主梁横向位移和加速度增幅较大;车体横向振动加速度、脱轨系数、轮轨横向力和轮重减载率在流冰撞击作用下增幅超过2倍,流冰撞击对高速列车行车安全性和乘坐舒适性有较大影响。Ma等[100] 对临时堆积坝产生的附加侧向水压力和桥梁冲刷过程进行了研究,为了确定施加在桥梁上的荷载效应,考虑大的木质碎屑(LWD)作为附加侧向液压力、基础冲刷和直接碎屑撞击的组合的影响,提出了几种碎片冲击力模型,模拟了各种可能的基础上由于碎屑堆积引起的冲刷深度,并将漂浮木屑产生的碰撞力引入车桥耦合系统,计算并比较了考虑和不考虑碎片撞击影响的动态放大系数(DAF)。研究发现,由于碎片撞击的影响,DAF最多增加20%。王亚伟等[101]建立了地震-风-车-桥耦合振动分析的数值模拟平台,计算分析了风与地震联合作用下桥梁和车辆的动力响应,并探究了地震动空间变异性对车桥动力响应的影响。结果表明,地震动对车-桥系统动力响应起控制作用;与地震-车-桥系统中的桥梁响应相比,考虑风荷载会增加主梁跨中的横向振动,但对主梁跨中的竖向振动会有抑制作用;与只考虑地震荷载作用的车桥响应相比,同时考虑地震和平均风速为20m/s的脉动风荷载联合作用下的主梁跨中横向位移极值最大增大约40%;与仅考虑地震动行波效应相比,考虑地震动空间变异性的车桥振动响应不仅在波形上产生很大差异,而且响应极值也发生了较大的变化。江辉等[102]以跨断层的某高速铁路八跨简支梁桥为研究对象,基于OpenSEES平台建立其考虑梁-轨相互作用的线桥体系非线性数值模型,分析了不同地震动强度下桥梁结构及CRTSII型板式无砟轨道结构的损伤特性,量化评定了结构构件的地震安全性,并基于规范给出的轨道水平变形控制标准,评价了不同车速下线路的行车安全性,探讨了轨道结构的优化设计。研究结果表明:断层跨及其邻跨的地震响应最大,强震下面临严峻的破坏风险;地震下轨道水平变形明显,存在行车安全隐患的位置主要集中在断层跨及其两侧邻跨梁端;增加轨道侧向挡块数量可有效降低轨道水平变形。

由于大跨钢结构桥梁的服役周期长、个别桥址处环境恶劣,钢桥运营期间可能会面临不同灾害的威胁,日常环境荷载的长期持续作用和突然极端荷载作用将直接影响桥梁结构的安全性和耐久性。因此,建立桥梁结构在多灾害作用下的耦合振动模型,合理地评估大跨钢结构桥梁在多灾害作用下的动力性能具有重要意义。

参考文献

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